大型公共建筑智能照明设计：聚焦绿色节能维度的研讨

安科瑞鲁一扬15821697760

【摘要】：大型公共建筑的传统照明系统往往依循用户的一般性需求予以设计，然而却极易忽视日光以及季节更迭对照明需求所产生的显著影响，由此导致照明能耗长期处于过高水平。鉴于此，本研究聚焦于绿色节能的视角，致力于对大型公共建筑的智能照明系统实施改进与优化。

首先，深入剖析天花板与工作面之间的日光照度映射关联，进而构建起一个精准的日光估计模型。通过严谨的训练阶段与操作阶段的有序推进，精准得出建筑内部日光分布的可靠估计值。紧接着，紧密结合实时的自然光照条件，巧妙选取适配性良好的照明模式。最后，以功能强大的中央控制器作为核心枢纽，成功构建起一个高效智能的照明控制框架。此框架能够妥善处理用户所期望的照度诉求以及当前照明模式的反馈结果，最终圆满达成智能照明的优化设计目标。经由实验严谨验证，本次所设计的智能照明方案展现出卓越的节能效能，其日均照明能耗仅为 5.4kw・h，全然契合绿色节能的严苛要求。

【关键字】：绿色节能；公共建筑；日光估计；动态控制；智能照明

0引言

绿色节能，即在切实满足人们多样化需求的基本前提之下，借助对资源与能源的合理运用与调配，最大程度地削减对环境的负面效应，进而实现可持续发展的长远目标。在建筑领域，尤其是大型公共建筑范畴内，智能照明设计成为达成绿色节能目标的关键路径之一。其凭借现代化的先进技术手段，针对建筑照明实施智能化的精细控制，有效提升照明质量，并显著提高能源利用效率。

近年来，众多学者纷纷投身于节能照明策略的深入探究之中。廖祈泉等人提出了一种基于向日追踪的智慧照明系统，该系统借助智能追踪装置敏锐观测日光强度，并通过精确计算判定是否满足照明需求。在太阳能利用效率低下且照明需求旺盛的特定时间节点，自动开启照明设备，以此减少能源的无谓浪费。然而，该系统存在一定局限性，其对照明的调控主要依赖于太阳光，在阴雨天或日照匮乏的情形下，照明效果将大打折扣。许馨尹等人则从日光强度与用户需求这两个关键维度入手，通过细致对比正常条件下的日光估计值与室内实际照明需求，来决策是否开启照明设备。但此方法的计算流程较为繁复，且实时性欠佳，难以迅速响应环境变化。梁波等人提出了一种照明动态控制策略，通过实验深入观测照明区域的能见度变化规律，构建起基于模糊径向基神经网络的智能照明体系。不过，该方法在实际应用过程中，需要实时采集并处理海量的环境数据，一旦数据出现偏差或处理不够及时，便极有可能致使控制策略失误，进而导致能耗增加。

本研究正是在充分汲取前人研究成果与经验教训的基础之上，基于绿色节能的核心理念，将日光估计纳入考量范畴，深入开展大型公共建筑智能照明设计的探索与创新，期冀为相关领域贡献新颖的思路与行之有效的方法。力求通过合理优化的智能照明设计，切实提高建筑的能源利用效率与使用舒适度，大幅减少能源消耗以及运营成本，为环保事业的蓬勃发展贡献一份坚实的力量。

1绿色节能视域下针对大型公共建筑设计智能照明方法

1.1设计日光分布估计算法

在大型公共建筑智能照明设计过程中，为满足绿色节能要求，充分考虑日光对建筑室内光环境质量的影响，在不影响室内理想光环境的基础上，动态调整灯具照明亮度[6]。因此，智慧照明的初始阶段进行日光分布估计，深入分析天花板与工作面照度之间的映射关系。

在获取日光分布估计值时，天花板日光照度贡献值和工作面日光照度贡献值之间，存在比例关系[7]。基于这一特点，定义式（1）的映射函数，为核心构建一个自然光估计器，辨识日光分布情况。

式中，k为时刻，d为工作面照度贡献值，η为天花板日光照度贡献值，f为自然光估计器，B为待辨识参数。

实际日光分布估计过程中，引入*小二乘算法，将待辨识参数推理过程，描述为*优解计算问题。以*小化误差平方值为目标进行*小二乘不断搜索，从众多匹配的待辨识参数函数中筛选出*佳数据，式为：

式中，T为转置矩阵。大型公共建筑日光分布估计的具体操作。在训练分析环节，通过天花板、工作面上的传感器设备，采集日光映射强度数据，将其作为日光估计训练所需的数据，构建日光估计模型[8]。

1.2选取建筑照明设备的能耗模式

根据日光分布估计结果选取照明设备能耗模式时[9]，需要先分析大型公共建筑典型照明能耗特点，构建一个照明设备能耗模型。结合每个传感器采集的光照信息，在大型公共建筑智能照明控制终端进行统一计算，*终匹配出一个*佳室内智能照明模式。依托式（3）进行计算，获取照明装置具体网络地址。

式中，V为照明装置网络地址，M为大型公共建筑内照明装置总数量，ϖ为智能照明通信网络控制范围，E为室内照明区域总面积。在得到所有装置对应的网络地址后，通过式（4）完成不同装置两两之间间隔距离的推算。

公式中，D为照明装置之间距离。随后，利用式（5）展开计算，获取单个照明装置在考虑日光光照的情况下所需的光照条件参数。

式中，C为光照条件参数，L为条件参数。在通信网络的辅助下，将上述计算的光照条件参数传达给控制*心，为绿色节能视域下大型公共建筑智能照明设计提供基础数据，与日光分布估计结果表现出的当前建筑自然光照条件相结合，判断智慧照明匹配的*佳照明方案。

式中，1、2、3、4分别为不打开照明装置、低亮度照明模式、中亮度照明模式、高亮度照明模式。如式(6)所示，在日光较强的时段，大型公共建筑内部映射的自然光，就可以满足室内正常照明需求，不需要再打开照明装置，从根本上达到节省电能的效果。而在日光不充足的时刻，则需要对室内光线进行补充!1,根据实时亮度变化调整为低、中、高亮度照明模式,满足大型建筑照明要求。

1.3实现室内空间智能照明控制

将光源的空间照度表示为矩阵，考虑太阳光和工作区位置、灯具与工作面的距离，建立光通函数矩阵。在智能照明控制中考虑人工光源的照度影响，判断是否执行选定模式。明确照明模式后，为满足智能化要求，在照明控制终端附近建立建筑能源管理系统服务器，导人照明能耗模式，自动转为控制命令，以调整大型建筑室内灯具的亮度，解决自适应智能照明问题。

以天花板上安装数个照明灯具的室内环境为例，在该室内工作区台面上需要布置无线智能设备，利用无线广播的形式向控制器发送期望照度值，以便求出更加符合实际要求的调光系数。假设每个大型公共建筑室内灯具的光线调整都是线性调光模式，考虑其本身的物理限制，定义灯具开度范围为10，11。这种环境下，灯具功耗同调光水平二者之间表现出正比例变化关系，也就是说，可以将智能照明控制中所有照明装置的总功耗，看作灯具调光系数向量和其他设备功耗之和，其表达式为:

式中，J为灯具总功耗，S为智能照明控制系统开销功耗，u为灯具调光系数向量，p为区域内灯具数量，i为灯具编号，"表示单个灯具功耗。依靠智能照明控制系统，在考虑日光光照强度的情况下完成大型公共建筑智能照明设计，确保建筑照明满足绿色节能要求。

2试验

2.1试验环境

为全面、精准地评估大型公共建筑智能照明设计方法的实际应用效果，特选取沈阳市某高层大厦作为本次试验的应用对象。该大厦坐落于沈河区青年大街，建筑面积达 33000m²，共计 22 层，每层面积为 1500m²。此建筑集商务办公、文化展示以及国际商业等多功能于一体，是沈阳市颇具知名度的商务中心。

针对大厦当前的照明设施展开深入调查后发现，其内部涵盖了格栅荧光灯、节能筒灯、吸顶灯、艺术吊灯、白炽灯等多种类型的照明灯具，且依据不同场合的特定照明需求进行了有针对性的安装部署。建筑内每一类照明设备的具体数量与功率详情，如下表所示（此处可根据实际需求补充详细的表格内容）。从调查结果可以清晰看出，该建筑内应用最为广泛的照明灯具主要为格栅荧光灯与节能筒灯两种类型。为开展智能照明设计测试，特选取其中一层全覆盖格栅荧光灯的办公室作为试验区域，该层内灯具的具体布置情况可通过图 1 直观呈现（此处需插入相应的灯具布置图）。

如图1所示。

除了本次新研究出的智能照明设计方法之外，本次实验还引入了文献 [3] 和文献 [4] 所提出的方法，在应用新方法之后，于同一楼层同步开展智能照明设计。通过对比三种方法的实施效果，以便能够直观、清晰地彰显出所提方法的独特优越性。

2.2智能照明结果

由于新方法在对室内灯具亮度进行智能调节时考虑日光带来的影响，在建筑智能照明设计过程中，先获取不同时刻每个灯具所在工作区的室外日光分布估计值，得到图2统计结果。

根据图2可知，由于工作区11、12、13、14均处于靠近窗子的位置，其受到日光影响更大，这些工作区的照度明显高于其他工作区。同时，随着时间变化工作区内照度也会出现明显改变，14:00左右属于一天中日光*强烈的时刻，该时段建筑室内工作区照度也相对更高。在上述环境中，设计所有工作区用户的期望照度为300lux。当自然光满足该照度，则不需开灯；反之需调整灯具亮度。实施智能照明设计后，将实际照度与期望照度绘制成图3。

图3看出，建筑内灯具智能照明调节后，各工作区产生的实际照度值均保持在300lux，与期望照度一致，证明绿色节能视域下新型智能照明设计方法是可行的。

2.3智能照明设计节能分析

在新研究智能照明设计方法实施一周后，在相同楼层应用另外两种文献提出方法重新进行智能照明设计，每种设计方案的实验周期也是一周，统计不同方法应用后每日室内照明消耗电能变化情况，生成图4所示的对比结果。

从图4看出，新研究智能照明设计方法应用后，日均照明消耗电能为5.4kw·h，而另外两种方法的照明消耗电能日均值为13.7、14.8kW·h。整体看在大型公共建筑日常照明中加入新研究方法，使日均照明消耗电能减少60.58%、63.51%。有高度的智能化特点，根据实时环境调整照明参数，实现能源的准确控制。

3安科瑞智能照明控制系统

3.1概述

ALIBUS智能照明产品采用RS485总线技术，技术成熟可靠，安全稳定。开关驱动器具备独立工作的能力，适用于一些中小型的项目；模块化设计，可以任意拼接扩展，同时预留I/O口以及Modbus接口，还可以满足与AcrelEMS企业微电网管理云平台进行数据交换。

3.2应用场所

适合于各类智能小区、医院、学校、酒店，以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明控制需求。

3.3系统结构

3.4系统功能

1）实时检测并显示各个模块的在线状态，反馈现场受控回路的开关状态，监控界面按照楼层各分区的布局和回路列表来浏览。

2）当发生模块离线、网关设备掉线或者状态反馈和下发控制命令不一致时会发生故障报警，并将故障报警信息记录并显示在界面中。

3）可以对单个照明回路实现开关控制；每个模块、楼层都有相应的模块控制开关和楼层控制开关，也可以一个模块或者整个楼层实现开关控制。

4）开关驱动器支持过零触发功能，负载（灯具）的分合操作仅在交流电过零时进行；可有效减少电磁干扰以及对电网的冲击，延长灯具与控制装置的寿命。

5）对每个照明回路可以预设掉电状态，当照明电源掉电时，开关驱动器会自动切换到预设的掉电状态；确保重新上电时灯具的开关状态是确定与可控的。

6）拖动调光控件，照明设备从0%到100%进行调光，可以对单个照明回路实现调光控制，调光总控可以对一个模块的照明回路实现调光控制，也可以对多个照明回路实现调光控制，通过图标的亮灭状态反馈现场开关的状态。

7）点击场景控件，打开或者关闭对应场景设置，软件界面上显示不同的场景模式和场景功能，通过图标的亮灭显示对应的场景状态是打开还是关闭。

8）设置定时时间，确认时间点后，对该事件点执行的动作进行设置，设置灯在设定的时间点亮或者灭。

9）系统可以通过预设的当地经纬度信息，自动计算每天的日升日落时间；根据天文时钟控制照明开关，实现日落开灯、日出关灯的功能。

10）所有定时控制计划均可下发保存至驱动模块；当上位机系统故障或模块离线时，驱动模块可以利用自带的RTC时钟维持定时控制计划的正常执行，不影响日常的照明控制效果。

11）系统结构是分布式总线结构；系统内各元件不依赖于其他元件而能够独立工作；系统内各元件可以通过程序的设定实现功能的多样性。

12）预留BA或*三方集成平台接口，采用modbus、opc等方式。

3.5设备选型

名称	型号	功能			备注
安科瑞智能照明控制系统	ALIBUS	可通过控制面板、人体感应、照度感应、微波感应、上位机系统、触摸屏、手机、平板端等多种控制终端实现灵活多样的智能化控制
名称	型号	上行	下行	外形尺寸	备注
智能通信管理机	Anet-1E1S1	1路以太网	1路RS485	140*90*50
智能通信管理机	Anet-1E2S1	1路以太网	1路RS485	140*90*50
智能通信管理机	Anet-2E4S1	2路以太网	4路RS485	168*113*54
智能通信管理机	Anet-2E8S1	2路以太网	8路RS485	168*113*54

名称	型号	负载电流	安装方式	外形尺寸	备注
4路开关驱动器	ASL220Z-S4/16	16A	导轨式	144*90*70	1.控制火线 2.每回路额定电流16A 3.磁保持继电器 4.延时控制 5.电流检测 6.定时控制
8路开关驱动器	AS220Z-S8/16	16A	导轨式	216*90*70	1.控制火线 2.每回路额定电流16A 3.磁保持继电器 4.延时控制 5.电流检测 6.定时控制
12路开关驱动器	ASL220Z-S12/16	16A	导轨式	288*90*70	1.控制火线 2.每回路额定电流16A 3.磁保持继电器 4.延时控制 5.电流检测 6.定时控制
16路开关驱动器	ASL220Z-S16/16	16A	导轨式	360*90*70	1.控制火线 2.每回路额定电流16A 3.磁保持继电器 4.延时控制 5.电流检测 6.定时控制
8路调光驱动器	ASL220Z-SD8/16	16A	导轨式	360*90*70	1.控制火线 2.每回路额定电流16A 3.磁保持继电器 4.延时控制 5.0-10V调光

名称	型号	性能	安装方式	外形尺寸	备注
红外感应传感器	ASL220-PM/T	3-5m 120°	嵌入式吸顶	φ80	开孔55mm
微波感应传感器	ASL220-RM/T	5-7m 120°	嵌入式吸顶	φ80	开孔55mm
微动感应传感器	ASL220-PR/T	5-7m 120°	嵌入式吸顶	φ80	开孔55mm
IP网关	ASL200-485-IP	ALIBUSnet/IP	导轨式	14*28*39	系统组网元件 监控软件接口设备
1联2键智能面板	ASL220-F1/2	2组控制指令	86盒	86*24*86	开关 调光 场景
2联4键智能面板	ASL220-F2/4	4组控制指令	86盒	86*24*86
3联6键智能面板	ASL220-F3/6	6组控制指令	86盒	86*24*86
4联8键智能面板	ASL220-F4/8	8组控制指令	86盒	86*24*86

4结束语

在绿色节能视域下，大型公共建筑的智能照明设计研究至关重要。通过智能化的控制和管理，能够实现照明的有效利用，减少能源的浪费。本次充分考虑日光以及季节变化对照明需求，完成大型公共建筑智能照明设计，得出结论如下：

（1）应用所提技术，各工作区产生的实际照度值均保持在300lux，与期望照度一致；（2）所提智能照明设计应用后，日均照明消耗电能为5.4kw·h，可明显减少能源浪费。

参考文献

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审核编辑 黄宇